[发明专利]一种大尺寸二维碘化铋单晶的制备方法

说明书

本发明公开了一种大尺寸二维碘化铋单晶的制备方法，包括如下步骤：S1，将碘化铋粉末放置到设有一端开口的刚玉舟内，再将氟金云母基板倒扣在刚；S3，往管式炉中通入氩气与氢气，对气化的碘化铋进行稀释并进行还原反应；S4，在反应结束后，将气相陷阱移动至管式炉末端的加热带处进行降温，在降温过程中，使刚玉舟内的气体在氟金云母基板上沉积形成附着；S5，待气相陷阱完全冷却后，获得二维碘化铋单晶。本发明的本发明公开一种大尺寸二维碘化铋单晶的制备方法，解决了现有方法制得的碘化铋单晶尺寸较小且厚度不可控的问题，整体制备工艺简单、操作方便、可重复性好，通过控制降温速率，得到不同厚度和尺寸的二维单晶碘化铋。

技术领域

本发明属于二维材料制备技术领域，具体地说，涉及一种大尺寸二维碘化铋单晶的制备方法。

背景技术

二维材料是一大类层状材料的统称，它们的层内是由较强的共价键连接，层与层之间是由较弱的范德华力连接，因此，可以通过改变沉积温度、压强或气流来调整二维材料的尺寸和厚度。通常来说，当二维材料的厚度减小到10nm以下时，由于表面效应和尺寸效应的影响，材料的特性会发生巨大的改变。例如：块体石墨只是一种电的良导体，而双层石墨烯则是一种半导体。现今，二维材料的研究主要集中于石墨烯、氮化硼以及氮族和氧族材料(例如：Bi₂Se₃、VTe₂和MoS₂等)。

近些年，关于二维卤化物单晶的研究也逐渐被报道。其中，以碘化铬为代表二维磁性材料和以碘化铅为代表的二维光电材料成为了新的研究热点。然而，碘化铬在空气中极不稳定，碘化铅含有对环境和人体有剧毒的铅元素，这阻碍了它们的进一步应用。碘化铋在空气中较为稳定且对环境和人体影响较小，可以被广泛应用于光学和半导体等领域。

碘化铋是一个能隙为1.5eV的间接带隙半导体，其基本结构为铋和碘构成的八面体。碘化铋具有较大原子序数(Z_Bi＝83，Z_I＝53)和密度(5.78g/cm³)，适合作为高性能探测器应用于辐射探测或X射线检测。它还具有很大的三阶非线性极化率，存在着强激子传输，适合应用于非线性光学领域。除此之外，碘化铋还可以应用于光伏领域，它具有较高的载流子迁移率(260±50cm²/(V·s))和对缺陷不敏感的特性，常作为太阳能电池的吸收层。

块体碘化铋单晶的生长已经十分成熟，使用物理气相传输(PVT)或者布里奇曼法可以生长得到单晶尺寸超过2cm的单晶碘化铋。但是对于二维碘化铋单晶的生长目前还处于几乎空白的阶段，最大尺寸仍小于10μm，造成无法进行进一步的应用。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于提供一种能够形成大尺二维碘化铋单晶，且厚度可控，涉及的重复性好的大尺寸二维碘化铋单晶的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种大尺寸二维碘化铋单晶的制备方法，包括如下步骤：

S1，将碘化铋粉末放置到设有一端开口的刚玉舟内，再将氟金云母基板倒扣在刚玉舟上，形成气相陷阱；气相陷阱是通过将氟金云母基板倒扣在刚玉舟上，而刚玉舟留有一端开口来形成的，能够俘获碘化铋蒸气，对于二维碘化铋单晶的生长起着关键性的作用。在本发明中，制备二维碘化铋的过程中，基板只能使用氟金云母基板，若使用其它种类的基板(例如：Al₂O₃、钠钙玻璃或Si)，都只能生长得到尺寸小于40μm的单晶碘化铋，其原因主要因为：1、氟金云母是层状结构材料，表面粗糙度0.1nm，远小于其它基板。2、氟金云母最外层为带正电的K⁺，对二维碘化铋的成核具有促进作用。

S2，将气相陷阱放入到管式炉的中央位置处，进行加热，使碘化铋粉末达到挥发温度；

S3，往管式炉中通入氩气与氢气，在恒温的环境下，对气化的碘化铋进行稀释并进行还原反应；